Как выбрать видеопередатчик или широкополосный модем для беспилотного летательного аппарата (БЛА) или робототехники

В совремненных приложениях задача передачи большого объема данных с борта беспилотного летательного аппарата (БЛА) или наземной робототехники очень актуальна. Основными критериями выбора видеопередатчика или широкополосного модема для БЛА или робототехники являются:

1.Дальность связи.
2.Максимальная скорость передачи данных.
3.Задержка в передаче данных.
4.Массо-габаритные параметры.
5.Требования по питанию.
6.Отдельный канал управления/телеметрии.
7.Поддерживаемые опции.

1. Дальность связи
Дальность связи зависит не только от передатчика, но и от антенн, антенных кабелей, условий распространения радиоволн, внешних помех и других причин. Основными параметрами все же считаются мощность передатчика и чувствительность приемника. В большинстве случаев разработчики БЛА ищут модем с большой мощностью передатчика и обращают мало внимания на чувствительность приемника, хотя поступать нужно с точностью до наоборот. Чувствительность приемника характеризует его способность извлекать информацию из принимаемых сигналов с заданным уровнем качества. Критерии качества могут быть различны. Для цифровых систем связи чаще всего используют вероятность ошибки на бит (bit error rate — BER) или вероятность ошибки в информационном пакете (frame error rate — FER). Собственно, чувствительность это и есть уровень того самого сигнала из которого надлежит извлечь информацию. Например, чувствительность −98 дБм при BER=10−6 говорит о том, что из сигнала с уровнем −98 дБм или выше можно извлечь информацию с таким BER, а из сигнала с уровнем, допустим, −99 дБм уже нет. Разумеется, снижение качества при понижении уровня сигнала происходит постепенно, но стоит иметь в виду, что большинству современных модемов присущ т. н. пороговый эффект при котором снижение качества при уменьшении уровня сигнала ниже чувствительности происходит очень быстро. Достаточно снизить сигнал на 1−2 дБ ниже чувствительности, чтобы BER увеличился до 10−1, а это означает, что видео с борта БЛА вы уже не увидите. Пороговый эффект является прямым следствием теоремы Шеннона для канала с шумами, его невозможно устранить. Разрушение информации при снижении уровня сигнала ниже чувствительности происходит из-за влияния шума, который формируется внутри самого приемника. Внутренний шум приемника невозможно полностью устранить, но возможно снизить его уровень или научиться эффективно извлекать информацию из зашумленного сигнала. Для этого используются улучшения в ВЧ блоках приемника и совершенствуются алгоритмы цифровой обработки сигналов. Улучшение чувствительности приемника модема не приводит к столь драматичному увеличению энергопотребления и тепловыделения, как увеличение мощности передатчика. Рост энергопотребления и тепловыделения, конечно, имеется, но он довольно скромный. Рекомендуется следующий алгоритм выбора модема с точки зрения достижения требуемой дальности связи:

Определиться с величиной скорости передачи данных.
Выбрать модем с наилучшей чувствительностью для требуемой скорости.
Определить дальность связи расчетным путем или в ходе эксперимента.
Если дальность связи оказывается меньше необходимой, то попытаться использовать следующие меры (расположены в порядке уменьшения приоритета):

уменьшить потери в антенных кабелях, применив кабель с меньшим погонным затуханием на рабочей частоте и/или уменьшив длину кабелей
увеличить усиление антенн
увеличить мощность передатчика модема.

Значения чувствительности зависят от скорости передачи данных по правилу: выше скорость — хуже чувствительность. Например, чувствительность −98 дБм для скорости 8 Мбит/сек лучше, чем чувствительность −95 дБм для скорости 12 Мбит/сек. Сравнивать модемы по чувствительности можно только для одинаковой скорости передачи данных.

2. Максимальная скорость передачи данных
Выбор модема по этому параметру относительно прост, если требования по скорости четко определены. Но существуют и некоторые нюансы. Если решаемая задача требует обеспечения максимально возможной дальности связи и при этом есть возможность выделить достаточно широкую полосу частот для радиолинка, то лучше выбирать модем, поддерживающий широкую полосу частот (bandwidth). Дело в том, что требуемую информационную скорость можно обеспечить в относительно узкой полосе полосе частот за счет использования плотных видов модуляции (16QAM, 64QAM, 256QAM и т. д.), либо в широкой полосе частот за счет использования модуляции низкой плотности (BPSK, QPSK). Использование модуляции низкой плотности для таких задач предпочтительнее из-за более высокой помехоустойчивости. Поэтому чувствительность приемника получается лучше, соответственно, увеличивается энергетический бюджет модема и, как следствие, дальность связи.

3. Задержка в передаче данных
При оценке этого параметра важно разделять задержку, относящуюся к передаче данных через радиолинк от задержки, создаваемой устройством кодирования/декодирования источника информации, например видеокодека. Задержка в радиолинке складывается из 3-х величин.

Задержка за счет обработки сигнала в передатчике и приемнике.
Задержка за счет распространения сигнала от передатчика к приемнику.
Задержка за счет буферизации данных в передатчике в дуплексных модемах с временным разделением (TDD — time division duplex).

Задержка типа 1 по опыту автора находится в диапазоне от десятков микросекунд до одной миллисекунды. Задержка типа 2 зависит от дальности связи, например, для 100 км линка она равна 333 микросекундам. ( Микросекунда - это единица измерения времени, равная 0,000001 (одной миллионной) доле секунды (10-6) или 0,001 (одной тысячной) миллисекунды.) Задержка типа 3 зависит от длины TDD фрейма и от отношения длительности цикла передачи к общей длительности фрейма и может меняться в пределах от 0 до длительности фрейма, т. е. представляет собой случайную величину. Если передаваемый информационный пакет оказался на входе передатчика в момент нахождения модема в цикле передачи, то пакет будет передан в эфир с нулевой задержкой типа 3. Если же пакет чуть запоздал и уже начался цикл приема, то он будет задержан в буфере передатчика на длительность цикла приема. Типичные значения длин TDD фрейма составляют от 2 до 20 мс, соответственно, задержка типа 3 в наихудшем случае не превысит 20 мс. Таким образом, суммарная задержка в радиолинке будет находится в пределах 3−21 мс. Наилучший способ узнать задержку в радиолинке это натурный эксперимент с использованием утилит для оценки характеристик сети. Измерять задержку методом запрос−ответ не рекомендуется, т. к. задержка в прямом и обратном направлениях может быть неодинакова для TDD модемов.

4. Массо-габаритные параметры
Выбор бортового блока модема по этому критерию не требует особых комментариев: чем меньше и легче — тем лучше. Не забывайте также о необходимости охлаждения бортового блока, могут потребоваться дополнительные радиаторы, соответственно, вес и габариты также могут увеличится. Предпочтение тут нужно отдавать легким, малогабаритным блокам с малым энергопотреблением. Для наземного блока массо-габаритные параметры не столь критичны. На первый план выходит удобство использования и установки. Наземный блок должен представлять собой надежно защищенное от внешних воздействий устройство с удобной системой крепления к мачте или штативу. Хороший вариант когда наземный блок интегрирован в одном корпусе с антенной. В идеале наземный блок должен соединяться с управляющей системой через один удобный разъем. Это убережет вас от крепких слов когда потребуется проводить работы по развертыванию при температуре −20 град.

5.Требования по питанию
Бортовые блоки, как правило, выпускают с поддержкой широкого диапазона питающих напряжений, например 7−30 В, что перекрывает большую часть вариантов напряжения в энергетической сети БЛА. Если у вас есть возможность выбора из нескольких питающих напряжений, то отдавайте предпочтение наименьшему значению питающего напряжения.

6.Отдельный канал управления/телеметрии
Важная возможность в тех случаях когда на БЛА не остается места для установки отдельного командно-телеметрического модема. Если же место есть, то отдельный канал управления/телеметрии широкополосного модема можно использовать в качестве резервного. При выборе модема с этой опцией обратите внимание на то, чтобы модем поддерживал нужный протокол для связи с БЛА и на возможность мультиплексирования данных канала управления/телеметрии в удобный интерфейс на наземной станции (НС). Например, бортовой блок широкополосного модема подключается к автопилоту через интерфейс типа RS232, UART или CAN, а наземный блок подключается к управляющему компьютеру через интерфейс Ethernet по которому необходимо обеспечить обмен командно-телеметрической и видео информацией. В этом случае модем должен уметь мультиплексировать командно-телеметрический поток между интерфейсами RS232, UART или CAN бортового блока и интерфейсом Ethernet наземного блока.

7.Дополнительные возможности
Разнесенный прием (RX diversity). Наличие данной возможности обязательно для обеспечения непрерывной связи на всей дистанции полета. При распространении над поверхностью Земли радиоволны приходят в точку приема двумя лучами: по прямому пути и с отражением от поверхности. Если сложение волн двух лучей происходит в фазе, то поле в точке приема усиливается, а если в противофазе, то ослабляется. Ослабление может быть весьма существенным — вплоть до полного пропадания связи. Наличие на НС двух антенн, расположенных на разной высоте, помогает решить эту проблему, т. к. если в месте расположения одной антенны лучи складываются в противофазе, то в месте расположения другой — нет. В результате можно добиться устойчивой связи на протяжении всей дистанции.

Поддерживаемые сетевые топологии. Желательно выбирать модем, обеспечивающий поддержку не только топологии точка-точка (point-to-point — PTP), но и топологий точка-много точек (point-to-multipoint — PMP) и ретрансляция (relay, repeater). Использование ретрансляции через дополнительный БЛА позволяет существенно расширить зону действия основного БЛА. Поддержка PMP позволит получать информацию одновременно от нескольких БЛА на одну НС. Обратите также внимание, что поддержка PMP и ретрансляции потребует увеличения пропускной способности модема по сравнению со случаем связи с одним БЛА. Поэтому для этих режимов рекомендуется выбирать модем с поддержкой широкой полосы частот (не менее 15−20 МГц).

Наличие средств повышения помехозащищенности. Полезная опция, учитывая напряженную помеховую обстановку в местах использования БЛА. Под помехозащищенностью понимают способность системы связи выполнять свою функцию при наличии в канале связи помех искусственного или естественного происхождения. Для борьбы с помехами существует два подхода. Подход 1: спроектировать приемник модема так, чтобы он мог уверенно принимать информацию даже при наличии помехи в полосе канала связи ценой некоторого уменьшения скорости передачи информации. Подход 2: подавить или ослабить помеху на входе приемника.

Мы предоставляем полную техническую информацию по Вашим запросам и стараемся оставить самые лучшие впечатления о нашей работе!

С уважением, Коллектив AIRVIDEO
Электронная почта: